Цветовые системы в компьютерной графике

ЦВЕТ – это форма световой энергии, передаваемая в виде волн
Факторы, влияющие на внешний вид конкретного цвета:
источник света
информация об окружающих предметах
ваши глаза
Способы образования цвета в природе:
источники света (солнце, лампочка и т.д.) излучают свет различных длин волн спектра. Этот свет воспринимается глазом как цветной.
свет отражается и поглощается, попадая на поверхность несветящихся предметов. Отраженное излучение воспринимается глазом как окраска предметов.

ЦВЕТОВАЯ СИСТЕМА
Цветовая система это математическая модель для описания излучаемого и отраженного цвета
В каждой модели определенный диапазон цветов представляют в виде трехмерного пространства.
В этом пространстве каждый цвет существует в виде набора числовых координат.
Этот метод дает возможность передавать цветовую информацию между компьютерами, программами и периферийными устройствами.

ВИДЫ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ
Аппаратно-зависимые
RGB
CMY(K)
HSx (HSV / HSL / HSB / HSI)
Аппаратно-независимые
Lab
YUV (YCrCb)

ЦВЕТОВАЯ МОДЕЛЬ RGB
Описывает излучаемые цвета
Основная область применения – описание цветового пространства монитора
Модель образована тремя цветами – красным (Red), зеленым (Green) и синим (Blue)
Модель является аддитивной, т.е при смешении двух цветов, результирующий будет светлее исходных. Сумма всех трех цветов дает белый цвет
Поскольку модель аппаратно-зависима, то в результате на разных мониторах одно и то же изображение будет выглядеть неодинаково.

ЦВЕТОВАЯ МОДЕЛЬ CMY(K)
Описывает отраженные цвета
Область применения – полиграфия,
Модель образована тремя цветами: голубым (Cyan), пурпурным (Magenta),
и желтым (Yellow) – «Полиграфическая триада» Эти цвета получены путем вычитания из белого основных цветов модели RGB. На практике, в модель включают 4й цвет – черный (blacK).
Модель является субтрактивной, т.е. при смешении любых двух цветов результирующий будет темнее исходных
Модель также аппаратно-зависима, - оттиски на различных устройствах будут выглядеть по разному.

ЦВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ HSB / HSL
Модель построена на субъективном восприятии цвета человеком. Этой моделью удобно пользоваться художникам
Любой цвет определяется своим тоном (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness) или светимостью (Lightness)
Модель HSB описывает отраженный цвет, модель HSL – излучаемый.
Модель аппаратно-зависимая, и не соответствует восприятию человеческого глаза

ЦВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ HSV / HSI
Во многом схожи с моделями HSB / HSL, но в отличии от них более абстрактны в описании яркостной компоненты, не привязывая её физической природе цвета.
Яркостная компонента обозначается как «значение» (Volume) или как интенсивность (Intensity)
На рисунке приведено изображение модели HSL в цилиндрических координатах

ЦВЕТОВАЯ МОДЕЛЬ LAB
Аппаратно-независимая модель
Описывает цвета так, как они воспринимаются человеком
Базовые компонентов L, a и b. Компонент L несет информацию о яркостях изображения, а компоненты а и b - о его цветах. Компонент а изменяется от зеленого до пурпурного, а b - от синего до желтого
Модель имеет самый широкий цветовой охват, и используется для при конвертации одних цветовых моделей в другие.

ЦВЕТОВАЯ МОДЕЛЬ YUV
Используется при кодировании изображений по методу JPEG, а также телевизионных сигналов стандарта PAL, методами M-JPEG, MPEG, iYCrCb, HuffYUV.
В цветовом пространстве YUV, Y - яркостная составляющая, а U и V - компоненты, отвечающие за цвет (хроматический красный и хроматический синий). Иногда для компонент
U и V встречаются обозначения Cr и Cb соответственно.
За счет того, что человеческий глаз менее чувствителен к цвету, чем к яркости, появляется возможность архивировать массивы для U и V компонент с большими потерями и, соответственно, большими коэффициентами сжатия.
Модель является аппаратно-независимой

КОДИРОВАНИЕ ЦВЕТА
При описании растрового изображения, для каждой точки определяется её цвет, в соответствии с выбранной цветовой моделью.
Цветовая глубина изображения, т.е. максимальное количество цветовых оттенков, определяется количеством бит, отводимых на описание цвета каждого пиксела.
Рассмотренные цветовые модели являются, 24-битными. Т.е. на каждый из трёх цветовых компонентов отводится
не менее 8 бит, или 256 градаций. Таким образом, максимальное число цветовых оттенков составляет 16777216.
Современные видеокарты оперируют 32-битным цветовым пространством, а некоторые модели и 48-битным. Это существенно превышает цветовой охват всех реальных устройств и технологий воспроизведения цветовой графики, кроме аналоговой фотографии.

ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ЦВЕТОВОГО КОДИРОВАНИЯ
Существует два частных случая кодирования цвета:
Кодирование серых изображений
Кодирование с использованием индексированных цветов

КОДИРОВАНИЕ СЕРЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Серым (grayscale) изображением, называется то, которое не содержит информации о цветовом тоне.
При описании такого изображения в системе RGB, все три значения цветовых компонент равны:
RGB 0,0,0 – черный цвет
RGB 128,128,128 – 50% серого
RGB 255,255,255 – белый цвет
Для кодирования такого изображения без потерь достаточно 8 бит на каждый оттенок. Т.е максимальное число оттенков серого в таком изображении – 256
Для других цветовых моделей (CMYK, HSx, Lab) правило равенства значений цветовых компонент не выполняется!
В моделях HSx и Lab меняется только яркостные компоненты (х и L), а остальные равны 0
В модели CMYK значения компонентов M и Y равны друг другу и всегда меньше значения компоненты С

ИНДЕКСИРОВАННЫЕ ЦВЕТА
Цветовое кодирование с использованием фиксированной палитры цветов.
Количество цветовых оттенков в изображении – от 2 до 256.
Все используемые цвета описываются в палитре (индексируются) в соответствии с выбранной цветовой моделью.
При кодировании изображения, в качестве цветовой характеристики каждого пиксела указывается номер (индекс) соответствующего цвета в палитре.
Этот вид кодирования вносит существенные искажения в цветовое пространство изображения

ВЛИЯНИЕ ПАЛИТРЫ
НА ВИД ИЗОБРАЖЕНИЯ
Исходный рисунок
Adaptive, 64 цвета
Uniform, 64 цвета
Web, 216 цветов

ТЕХНОЛОГИИ ИНДЕКСНОГО КОДИРОВАНИЯ
Для уменьшения искажений цветового пространства при переходе к индексным цветам применяют следующие подходы:
Адаптивный подбор цветов в палитре, в соответствии с оттенками, преобладающими в изображениями.
Дитеринг (dithering) – добавление цветового шума из индексированных цветов, близких к исходному оттенку

ЦВЕТОВОЙ ПРОФИЛЬ
Все устройства вывода изображений используют аппаратно-зависимые модели цветового кодирования.
Для того чтобы обеспечить соответствие и коррекцию цветовых пространств различных устройств, используются цветовые профили (icc или icm профайлы)
Цветовой профиль описывает ключевые точки цветового пространства конкретного устройства в модели Lab (точки белого и черного, точки чистых цветов – напр. красного, зеленого, синего если описываемое устройство работает с моделью RGB)

ЦВЕТОВОЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Цветовой менеджмент (управление цветом) - комплекс программных средств, аппаратных настроек и мероприятий по обеспечению правильной цветопередачи на всех стадиях работы с изображением (получение, обработка, печать)
Программный менеджер цвета сравнивает цветовые профили устройств, и корректирует их цветопередачу.

КАЛИБРОВКА ЦВЕТОПЕРЕДАЧИ
Настройка всех устройств вывода изображений на правильную передачу эталонных цветов, с учетом субъективных факторов цветового восприятия:
качества и износа устройства
освещенности и цветовой гаммы помещения
индивидуальных особенностей зрения
Калибровка устройств должна проводиться с заданной периодичностью